國土資源生態環境遙感監測與綜合評估方法

謝萍

摘要 地理國情作為基本國情的重要組成部分，近年來受到越來越多的關注和重視。筆者基于全方面獲取的多尺度和多時相遙感影像、土地利用數據、社會經濟統計信息以及歷史數據等地理國情普查成果，對廣東省建設發展過程中的土地利用基礎狀況、生態資產、生態系統服務價值以及生態風險情況進行動態監測與分析。結果表明：①2005—2016年間，廣東省建設用地占比逐年增加的態勢明顯，生態用地面積不斷降低，林地占比逐年減少;②生態資產高值區集中分布于粵西、粵北和粵東區域，珠三角區域整體生態資產總額較低;③生態系統服務價值最高的區域分布在粵西雷州半島南部、江門市以及珠海市，珠三角區域的廣州市、佛山市生態服務價值較低;④珠江三角州城市群區域，由于生態風險指數不斷上升，高生態風險區在此形成。該研究結果有助于掌握研究時期內廣東省地理國情演變的客觀規律，同時為加強生態環境保護、制定合理的發展戰略與規劃、深化國土空間開發格局等提供重要依據。

關鍵詞 遙感監測;國土資源;地理國情;綜合評價;廣東省

中圖分類號 X83文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）11-0077-05

Abstract As an important part of the basic national conditions，geographical situation has received more and more attention in recent years.This study through a comprehensive multiscale and multitemporal access to historical data，remote sensing images，the information of land use and social economic statistics data of Geographic National Census results，the dynamic monitoring and analysis was conducted on the basic situation and ecological capital and ecosystem services of land use in the development process of Guangdong Province.The results showed that： the proportion of construction land use in Guangdong Province in 2005-2016 is increasing year by year，the proportion of woodland is decreasing year by year，and the construction land is increasing continuously; the distribution of ecological assets is mainly concentrated in western Guangdong，northern Guangdong and eastern Guangdong，and the total ecological assets of the Pearl River Delta are low; the most valuable areas are mainly located in the southern part of Leizhou Peninsula，Jiangmen and Zhuhai，and the lowest value of ecosystem services in Guangzhou and Foshan; the ecological risk area is mainly concentrated in the urban agglomeration of the Pearl River Delta，and the ecological risk index is rising，forming a high ecological risk zone.The research results help to grasp the objective laws of the evolution of geographical conditions in Guangdong Province，and provide an important basis for strengthening the protection of ecological environment，formulating and implementing development strategies and planning，and optimizing the spatial pattern of land development.

Key words Remote sensing monitoring;Land and resources;Geographical conditions;Comprehensive evaluation;Guangdong Province

地理國情作為基本國情中不可或缺的一部分，能夠全面揭示地表自然要素和人文地理要素的特征規律、空間格局及其相互關系[1-2]。國土資源監測通過對地理國情展開動態測繪與跟蹤分析，綜合對地理國情實際情況進行科學研究，能夠提供及時、可靠、準確、權威的地理國情基礎數據和研究成果[3]。人類對土地資源和空間的需求隨著經濟高速增長與城市區域快速擴張而日益增加。眾多具有獨特生態服務功能和資源環境價值的生態用地類型，如林地、濕地、草地等正在不斷被建設用地所侵占，導致局部區域多種土地生態服務功能受到削弱乃至喪失，造成區域生態平衡的紊亂，進而對區域社會經濟的可持續健康發展產生負面影響[4-5]。

目前，我國已全面建立了土地利用調查和地理國情監測體系，前者主要從地表覆蓋的用途屬性進行調查，后者則主要從地表要素的自然空間屬性進行監測。然而，山、水、林、田、湖是一個生命體，生態國土建設必須把資源、環境、生態作為一個整體進行考慮[6-7]。為了適應新形勢下生態國土建設與考核需求，基于地理國情監測框架，開展國土資源生態環境監測框架體系研究，尤為關鍵，進而實現為廣東省創建生態國土提供相應的技術支持和數據服務。

筆者在多尺度、多時相遙感影像、土地利用數據、社會經濟統計信息及歷史數據等地理國情普查成果資料的基礎上，結合遙感、GIS等空間技術從多尺度、多要素的角度進行國土資源生態環境專項監測與綜合評估，通過科學合理的監測與分析，實現對廣東省地理國情演變客觀規律的掌握，為加強生態環境保護、制定合適的區域發展戰略、深化國土空間開發格局等提供重要依據。同時，通過對廣東省建設發展過程中的土地利用基礎狀況、生態資產、生態系統服務價值以及生態風險情況進行動態監測與分析，能夠為廣東省的地區經濟發展、城市規劃及生態環境保護提供數據支撐和決策支持，對提升城市生態環境質量、發展生態經濟等均具有重要意義。

1 研究數據與方法

該研究主要數據源包括2005年、2010年和2016年覆蓋廣東省的Landsat系列遙感影像。通過ENVI遙感處理軟件對多源衛星遙感影像進行輻射定標和FLAASH大氣校正，得到地物真實的反射率數據。并基于多源遙感龍融合影像，通過CART決策樹分類方法獲取廣東省國土資源類型，包括基礎生態空間及環境要素。

1.1 土地利用類型面積變化率以及變化強度

土地利用類型面積變化率以及變化強度能夠有效衡量某一類土地利用類型相對面積變化量[8-9]。

1.3 生態系統服務價值評估方法

生態系統服務是生態系統各要素及其生態過程為人類創造的各種服務功能和福利，是人類生存和發展過程中重要物質基礎和生態環境基礎。生態系統服務價值（ecosystem services value，ESV）是生態系統服務功能的重要量化評估方式，ESV變化能夠直觀地反映生態系統服務功能效益的變化[12-13]。

筆者基于統一的統計口徑核算廣東省各種生態系統的各種服務功能的價值系數，采用能夠區分各種生態系統服務功能的當量因子法，構建廣東省ESV評估體系，結合廣東省各種生態系統類型及其生態系統服務進行ESV評估。當量因子法具有計算簡易特點，適合廣東省尺度的區域ESV評估。

在廣東省ESV評估體系中，1個標準單位ESV當量因子（以下簡稱為“標準當量”）為廣東省1 hm2耕地多年糧食產量的年平均利潤，基于該當量，并結合廣東省生態用地多年NPP、增強植被指數（enhanced vegetation index，EVI）等生態指標確定各種生態系統服務的標準當量，以表征和量化各種生態服務功能的潛在貢獻能力。在廣東省區域尺度上的ESV評估中，難以完全剔除人為因素對農田生態系統自然條件下實際糧食生產力及其經濟價值的影響。該研究參考謝高地等[13-14]的因子當量法，以廣東省主要糧食作物稻谷、玉米、薯類的單位面積平均產量，按照種植面積權重核算出1 hm2耕地的年平均凈利潤作為標準當量。

1.4 土地利用生態風險指數

區域內生態風險反映區域生態系統抵御外來因素干涉以及內部自我調節與恢復的水平，不同土地利用類型（景觀）抵御外來因素干涉能力不同，同時在推動生態景觀結構的自然演替、調整總體功能與結構、維護生物多樣性等方面存在差異[15-17]。該研究以區域生態系統的景觀結構作為出發點，構建綜合土地利用生態風險指數，在景觀結構的基礎上利用量化的生態風險指數分析廣東省景觀生態風險大小及變化情況。

2 結果與分析

2.1 廣東省土地利用總體變化趨勢

廣東省土地（加部分水域）總面積199 000 km2，筆者對廣東省2005、2010、2016年的遙感影像分類結果分別進行統計制圖，土地分類結果見圖1。

廣東省 2005年建設用地在中心城區成團分布，生態用地大片集中在珠三角以外區域，面積廣闊。隨著城市的擴展，通向粵西地區和粵東的交通線路逐漸完善，在交通要道的附近建筑用地面積不斷加大，水體和林地逐漸演變成建設用地，生態用地逐漸被侵占，景觀的破碎化不斷加劇。土地利用類型占比順序由 2005年的林地、非林地、水體、建筑，變化為2016 年的：林地、非林地、建筑、水體。建設用地占比逐年增加態勢明顯，從2005年的11%上升到2016年的14%，林地占比逐年減少，從2005年的55%下降到2016年的50%，非林地占比從2005年的21%上升到2016年的23%。建設用地的不斷增多，導致各種生態用地均有不同程度的減少。廣東省目前基本呈現建設用地持續增多，生態用地不斷減少的趨勢。

從廣東省生態用地變化率以及變化強度（表1）可以看出，2005—2016年期間，生態用地中，林地的總面積不斷減少，減少9.75%，水體小幅增加2.88%，非林地增加13.48%。其中2010—2016年林地面積迅速減少，減少了6.82%;在2005—2016年過程中，林地的面積持續減少，且減少的林地面積，轉移為非林地和建筑用地。

2.2廣東省生態資產動態監測評估 綜合上述生態用地面積和各生態系統的各項單位面積生態資產價值整理廣東省生態資產統計狀況，如表2所示。

從廣東省生態資產的內容構成來看，生態系統的土壤保持功能占了大部分，水源涵養功能占了重要的比例。廣東省位于熱帶/亞熱帶季風性氣候區，降雨量豐富，水熱條件充沛，加上廣東省地處我國東南丘陵地形區，山地、丘陵等地形所占比例高，氣候和地形共同造就了水土流失的優勢條件，得益于廣闊的生態系統及其土壤保持和水源涵養功能，保持了廣東省生態環境的穩定。從農用地、森林、水域的生態資產構成來看，各項生態資產的占比都是土壤保持>水源涵養>空氣質量條件>有機質生產>養分循環。

同時，筆者分別統計了廣東省各區縣行政單位內所有生態用地地類的資產總和（圖2）。

由圖2可知，廣東省生態資產的分布主要集中在粵西、粵北和粵東。珠三角發達地區由于城市發展迅速，經濟發達，城市建設用地急劇擴張，導致生態用地不斷被侵占，降低了該地區的生態資產總額。

2.3廣東省生態系統服務價值分析

根據廣東省2016年各種生態用地的面積和各種生態用地的單位面積生態系統服務價值，計算獲得廣東省各種生態用地及其各項生態系統服務價值（表3）。

由表3可知，廣東省生態用地每年創造出巨大的生態系統服務價值，總值37 781.62億元，達到2016年廣東省GDP的51.89%。廣東省生態系統服務價值大部分由森林生態系統和水域生態系統構成，占比達到93%，農用地占比只有7%，主要原因是廣東省的生態用地以森林和水域為主，森林面積達到廣東省海陸面積的50.04%，水域面積達到廣東省海陸面積的13.17%，且水域生態系統的單位面積生態系統服務價值分別是森林生態系統和農用地生態系統的3.65和11.29倍。因此，提供廣東省生態系統服務的主力是森林生態系統和水域生態系統。

同時，對全省的各區縣分別統計計算其對應行政區劃范圍內的生態服務價值總量，并采用自然間隔法劃分為5級，如圖3所示。

由圖3可看出，廣東省的生態服務價值大部分處于一般及以上水平。其中生態服務價值最高的區域主要分布在粵西雷州半島南部、江門市和珠海市。粵北的清遠市、粵東的河源市和汕尾市、粵西的部分地區則是生態服務價值較高的區域。而珠三角地區的廣州市、佛山市和粵東的汕頭市、潮汕市則是生態服務價值較低區域。

2.4 廣東省生態空間的生態風險評估

通過前文劃定生態風險單元及生態風險指數的方法模型，利用ArcGIS軟件將廣東省劃定為1 001個風險單元，并利用2016年的生態分析數據計算廣東省的生態風險指數。出于簡化生態風險空間分布數據分析的考慮，結合前人的分級方法，利用指標法對研究區內的生態風險單元進行等級劃分，具體劃分為5個等級：低生態風險度分區（ERI <0.2）、較低生態風險度分區（0.2≤ ERI <0.4）、中生態風險度分區（0.4≤ ERI <0.6）、較高生態風險度分區（0.6≤ ERI <0.8）和高生態風險度分區（0.8≤ ERI）[18]。從廣東省生態風險等級空間分布（圖4）可以發現，廣東省生態風險呈現明顯的多核圈層結構，主要由多核心的中心向外部逐漸降低。風險較高的核心主要分布在珠三角城市群地區。在空間上，粵西的雷州半島、粵東的潮汕等區域的生態風險指數也有明顯的高值區域，形成了外部生態風險高值區。

廣東省生態高風險區主要集中在珠江三角洲城市群中。該區域的城市核心城區及其周邊是城市化進程最快速、建設用地擴張最劇烈的區域。快速的城市化進程，促使該地區大部分的生態用地向建設用地轉變，區域生態風險顯著上升，形成了高生態風險區。而低風險區則主要位于廣東省的北部、東部等地，這些區域由于地形等因素，整體開發水平較低，林地廣布，生態系統較為穩定。

參照景觀格局指數和土地利用生態風險指數計算公式，核算2016年廣東省研究范圍內所劃分的格網單元的風險指數。并在此基礎上利用Geodata空間分析軟件，對生態風險單元按照“k-nearest”權重矩陣對廣東省1 001個風險格網單元進行空間自相關分析，計算其Morans I指數。通過全局自相關分析，在顯著性水平P<0.05下，廣東省生態風險Morans I為0.678，空間自相關強烈。同時，為了更清楚的揭示生態風險單元在局部空間分布上的特征，筆者還利用局部空間自相關工具、冷熱點工具對2016年廣東省生態風險單元進行局部空間自相關分析（圖5～6）。

從廣東省2016年生態風險指數的LISA分布來看，大部分地區的生態風險指數在分布上的關聯并不顯著。而在珠三角地區、粵東的汕頭地區和粵西的湛江地區其生態風險的分布呈現出“高高”聚集的現象。這意味著生態風險高的地區往往會對周邊地區的生態風險產生明顯影響，生態風險會隨著城市的聚集而提升。從廣東省生態風險指數冷熱點分析（圖6）可以看出，2016年廣東省土地利用生態風險指數熱點區域主要分布于珠三角城市核心城區。生態風險熱點區的分布特征表明，隨著城市化進程的加劇，城區生態用地到建設用地轉換的節奏和幅度大大提高，原有的景觀平衡結構被打破，城市核心區的生態風險指數迅速提升，生態系統更為脆弱，生態風險增加。

3 結論

研究結果表明，廣東省2005年建設用地在中心城區成團分布，隨著城市的擴展，通向粵西地區和粵東地區的交通線路逐漸完善，生態用地不斷面臨被建設用地侵占的危機，景觀破碎化加劇。建設用地占比逐年增加態勢明顯，林地占比逐年減少。建設用地的不斷擴張，導致多種類型的生態用地均有不同程度的縮減。目前廣東省基本呈現建設用地增多，生態用地減少的趨勢。廣東省生態資產的分布主要集中在粵西、粵北和粵東。珠三角發達地區由于城市發展迅速，經濟發達，導致生態用地不斷被侵占，降低了生態資產總額。生態服務價值方面，價值最高的區域主要分布在粵西雷州半島南部、江門市和珠海市;粵北、粵西的部分地區則是生態服務價值較高的區域;而珠三角地區的廣州市、佛山市和粵東的汕頭市、潮汕市則是生態服務價值低值區域。廣東省生態高風險區主要集中珠江三角洲城市群中，低風險區則集中分布在研究區東部和北部等區域。珠江三角洲城市群地區城市擴張劇烈，各類型的生態用地被建設用地侵占的現象最為嚴重，進而形成了高生態風險區。北部和東部地區由于地形等因素的限制，城市化進程相對較為緩慢，林地廣布，生態風險較低。

參考文獻

[1]陳俊勇.地理國情監測的學習札記[J].測繪學報，2012，41（5）：633-635.

[2] 李德仁，眭海剛，單杰.論地理國情監測的技術支撐[J].武漢大學學報（信息科學版），2012，37（5）：505-512.

[3] 鞏垠熙，王鶯，梁敏，等.地理國情信息支撐下的空間開發適宜性評價[J].測繪通報，2017（7）：66-71.

[4] 歐陽志云，趙同謙，王效科，等.水生態服務功能分析及其間接價值評價[J].生態學報，2004，24（10）：2091-2099.

[5] 楊智威，陳穎彪，吳志峰，等.粵港澳大灣區建設用地擴張與城市熱島擴張耦合態勢研究[J].地球信息科學學報，2018，20（11）：1592-1603.

[6] 黃燕，陳明輝.東莞市“小山小湖”生態資源分析與管護對策[J].地理空間信息，2017，15（4）： 64-66.

[7] 楊智威，陳穎彪，吳志峰，等.粵港澳大灣區城市熱島空間格局及影響因子多元建模[J].資源科學，2019，41（6）： 1154-1166.

[8] 朱會義，李秀彬.關于區域土地利用變化指數模型方法的討論[J].地理學報，2003，58（5）：643-650.

[9] 劉紀遠，張增祥，莊大方，等.20世紀90年代中國土地利用變化時空特征及其成因分析[J].地理研究，2003，22（1）：1-12.

[10] 歐陽志云，鄭華，謝高地，等.生態資產、生態補償及生態文明科技貢獻核算理論與技術[J].生態學報，2016，36（22）：7136-7139.

[11] 潘耀忠，史培軍，朱文泉，等.中國陸地生態系統生態資產遙感定量測量[J].中國科學（D輯：地球科學），2004，34（4）： 375-384.

[12] 張志強，徐中民，程國棟.生態系統服務與自然資本價值評估[J].生態學報，2001，21（11）：1918-1926.

[13] 謝高地，魯春霞，成升魁.全球生態系統服務價值評估研究進展[J].資源科學，2001，23（6）：5-9.

[14] 謝高地，張釔鋰，魯春霞，等.中國自然草地生態系統服務價值[J].自然資源學報，2001，16（1）：47-53.

[15] 付在毅，許學工.區域生態風險評價[J].地球科學進展，2001，16（2）：267-271.

[16] 陳輝，劉勁松，曹宇，等.生態風險評價研究進展[J].生態學報，2006，26（5）：1558-1566.

[17] 盧宏瑋，曾光明，謝更新，等.洞庭湖流域區域生態風險評價[J].生態學報，2003，23（12）：2520-2530.

[18] 鄭子豪，陳穎彪，吳志峰，等.基于多源遙感的城市生態用地識別及生態風險評價[J].城市觀察，2017（3）：19-30.